UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL USP

AUGUSTO CESAR MATAVELLI

Energia solar: geração de energia elétrica utilizando células fotovoltaicas

LORENA - SP

2013

2

AUGUSTO CESAR MATAVELLI

Energia solar: geração de energia elétrica utilizando células fotovoltaicas

Monografia apresentada à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo como requisito para obtenção do título de Engenheiro Químico.

Área de concentração: Engenharia Ambiental Orientador: Prof. Alexandre Eliseu Stourdze Visconti

LORENA - SP

2013

3

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL

DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU

ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE

CITADA A FONTE.

Catalogação na Publicação

Biblioteca Universitária

Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo

Matavelli, Augusto Cesar Energia solar: geração de energia elétrica utilizando células fotovoltaicas / Augusto Cesar Matavelli; orientador: Alexandre Eliseu Stourdze Visconti. - Lorena: 2013. 34f. Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Química. Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo.

1. Energia solar 2. Células Fotovoltaicas. I. Título.

4

Dedico este trabalho aos meus pais, meus irmãos e minha

família inteira que sempre me apoiaram em todas as minhas

decisões e nos momentos de dificuldade.

5

AGRADECIMENTO

Em primeiro lugar a Deus por tudo.

A minha família e amigos por toda a amizade e amor.

Ao professor e orientador Alexandre Eliseu Stourdze Visconti por sempre me

aconselhar e ajudar na seleção de artigos e livros para realizar esse trabalho.

As bibliotecas da Escola de Engenharia de Lorena por me ajudarem a encontrar

artigos, trabalhos científicos e livros sobre o assunto desse trabalho.

A todos aqueles que de alguma forma contribuíram para a realização desse

trabalho.

6

“Não fique triste quando ninguém notar o que fez de bom

Afinal...

O sol faz um enorme espetáculo ao nascer, e mesmo assim, a maioria de nós

continua dormindo.”

Charles Chaplin

7

RESUMO

Matavelli, A.C. Energia solar: geração de energia elétrica utilizando células

fotovoltaicas. 2013. 34f. Monografia apresentada como requisito parcial para a

conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Química, Escola de Engenharia

de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2013.

O Sol, o astro rei, é a fonte de energia mais abundante e intensa ao alcance da

Terra. Essa estrela é a principal responsável por praticamente todos os

fenômenos e toda a vida encontrada no planeta Terra. A necessidade de se gerar

energia acompanhou a evolução da raça humana e teve um pico quando, na

Revolução Industrial, começou-se a queimar combustíveis fósseis para gerar

energia. Essa Revolução trouxe consigo benefícios que a sociedade não poderia

imaginar. A matriz energética cresceu de forma exponencial e as tecnologias

acompanharam, evoluindo rapidamente para atender as necessidades das

pessoas. Porém, com todo esse avanço, muitos fenômenos naturais foram

agravados e problemas ambientais surgiram, gerando muitas complicações para

os seres humanos. A energia elétrica, nos dias atuais, se tornou fundamental para

a execução de basicamente todas as tarefas realizadas. Por isso, atualmente,

investe-se muito em formas de geração de energia renováveis, ou seja, que

agridem menos o meio ambiente, conseguindo, assim, satisfazer as necessidades

da sociedade. Uma forma de energia renovável utilizada para geração de energia

elétrica é a transformação da energia luminosa do Sol. As células fotovoltaicas

são responsáveis por essa transformação e estão recebendo cada vez mais

investimentos, pois é um meio de geração de energia completamente limpo, onde

se utiliza uma fonte de energia inesgotável, se considerada a escala de tempo

terrestre. Analisando o funcionamento, consegue-se observar que, se tornada

mais acessível, essa tecnologia, as células fotovoltaicas, poderão gerar grande

parte da matriz energética da Terra de uma maneira totalmente sustentável.

Palavras-chave: Energia solar, célula fotovoltaica, geração de energia elétrica.

8

ABSTRACT

Matavelli, A.C. Solar energy: electric power generation using photovoltaic cells.

2013. 34p. Monograph presented as partial requirement for conclusion of chemical

engineering degree, Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São

Paulo, Lorena, 2013.

The Sun, the star King, is the most abundant source of energy and intense within

reach of Earth. That star is the main responsible for practically all the phenomena

and all life found on planet Earth. The need to generate power has followed the

evolution of the human race and had a peak when, in the Industrial Revolution,

began to burn fossil fuels to generate power. This revolution brought with it

benefits that society could not imagine. The energy matrix grew exponentially and

accompanied technologies, evolving rapidly to meet the needs of the people.

However, with all this progress, many natural phenomena were aggravated and

environmental problems have emerged, leading to many complications for

humans. The electrical energy, in the present day, became fundamental to the

execution of basically all tasks carried out. So, currently, invests in renewable

forms of energy generation, harming less the environment, achieving thus meet

the needs of society. A form of renewable energy used for electric power

generation is the transformation of light energy from the Sun. Photovoltaic cells

are responsible for this transformation and are getting increasingly investments

because it is a way to completely clean energy generation, which uses a source of

inexhaustible energy, if considered the terrestrial time scale. Analyzing the

operation, it is possible to observe that, if made more accessible, this technology,

photovoltaic cells, can generate a large part of the Earth’s energy matrix of a fully

sustainable manner.

Keywords: Solar energy, photovoltaic cell, electric power generation.

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Capacidade instalada, por fonte de geração ......................................... 16

Tabela 2 - Eficiência típica dos módulos comerciais ............................................. 27

10

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Distribuição espectral da radiação solar .............................................. 15

Figura 2 – Painéis Fotovoltaicos ........................................................................... 17

Figura 3 - Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um

ângulo de 23,5º. .................................................................................................... 22

Figura 4 - Instalação de painéis fotovoltaicos no telhado de um estabelecimento 24

Figura 5 - Emissão de gases do efeito estufa em 2000 projetadas para 2025 ..... 25

Figura 6 – Corte transversal de uma célula fotovoltaica ....................................... 25

Figura 7 – Capacidade anual instalada de sistemas fotovoltaicos ........................ 28

Figura 8 - Evolução do preço médio dos módulos fotovoltaicos ........................... 29

Figura 9 - Consumo de energia elétrica ................................................................ 29

Sumário

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 12

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 14

2.1 Energia Solar ............................................................................................... 14

2.1.1 A Radiação Solar ................................................................................... 14

2.1.2 Uso da Energia Solar............................................................................. 15

2.2 Energia Elétrica............................................................................................ 16

2.3 Células Fotovoltaicas ................................................................................... 17

2.3.1 Silício Monocristalino ............................................................................. 18

2.3.2 Silício Policristalino ................................................................................ 19

2.3.3 Silício Amorfo ........................................................................................ 19

3. METODOLOGIA ............................................................................................... 19

3.1 Método de pesquisa..................................................................................... 20

3.2 Procedimentos da pesquisa ......................................................................... 20

4. RESULTADO E DISCUSSÃO ........................................................................... 22

4.1 Incidência da luz solar na superfície terrestre .............................................. 22

4.2 Histórico da utilização da energia solar ....................................................... 23

4.3 Células Fotovoltaicas ................................................................................... 24

5. CONCLUSÃO ................................................................................................... 30

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 31

CRONOGRAMA .................................................................................................... 34

12

1. INTRODUÇÃO

O Sol é a fonte de energia e responsável pela origem da maioria das fontes

de energia renováveis e, mesmo as que não utilizam diretamente a radiação

solar, tem sua origem neste. As usinas hidrelétricas, por exemplo, se baseiam na

energia potencial da água, que precipita em forma de chuva devido à evaporação

causada pela luz solar. Já as pás das torres eólicas geram energia através do

vento que as gira. O vento só adquire energia cinética, pois a distribuição da luz

solar na atmosfera gera diferenças de temperatura e pressão. Os combustíveis

como etanol, metanol e biodiesel e até mesmo a madeira, considerados fontes

renováveis, são provenientes de plantas que utilizaram a luz solar para realizar

fotossíntese e se desenvolver (LAMARCA JUNIOR, 2012). Os combustíveis

fósseis são resultados da decomposição de plantas e animais que durante a vida

utilizaram o Sol para satisfazer as suas necessidades biológicas.

O aproveitamento da energia solar, inesgotável se levado em conta a

escala de tempo terrestre, vem dos primórdios da formação da Terra. Dos

primeiros microrganismos até os organismos evoluídos dos dias atuais, todos

necessitam da luz solar para sobreviver e evoluir.

Com a elevada demanda e consumo de energia pelo ser humano, os

combustíveis fósseis se tornaram a principal fonte de energia, principalmente o

petróleo. Este óleo possui um alto potencial energético e com a tecnologia dos

dias atuais, consegue-se explorar praticamente todo esse potencial. A principal

questão quanto à utilização dos combustíveis fósseis é o impacto ambiental. A

queima destes tem gerado diversos problemas ambientais como, por exemplo, o

agravamento do efeito estufa, o derretimento das geleiras, a poluição do ar e,

consequentemente, prejuízo à vida dos organismos.

A necessidade de gerar energia com o mínimo de impacto ambiental, com

um processo mais sustentável, tornou-se o maior objetivo. Uma das alternativas é

a geração de energia elétrica a partir da radiação solar. Esse processo é realizado

com a utilização de células fotovoltaicas, onde o principal componente é o silício,

elemento abundante no planeta. O problema de se utilizar as células fotovoltaicas

é o alto custo de fabricação, pois o processo ainda não é industrializado e a mão-

13

de-obra artesanal é cara, tornando o produto final inacessível para a grande

maioria da sociedade.

A luz solar foi escolhida como foco do estudo, pois o Sol, como dito

anteriormente, é a fonte primária de energia, sendo responsável por outras fontes

energéticas, renováveis ou não renováveis. A sustentabilidade e a preocupação

na redução de poluentes e impactos ambientais são assuntos que ganharam

espaço em todos os setores, tanto na indústria quanto na sociedade, e a geração

de eletricidade através da luz solar, mostrou-se uma alternativa sustentável e de

grande potencial, principalmente em regiões como a do Vale do Paraíba.

O foco deste trabalho é estudar e entender como a energia solar é

transformada em energia elétrica utilizando células fotovoltaicas. As demais

maneiras de se utilizar a energia solar, apesar de não serem o foco deste

trabalho, tornaram-se parte do conteúdo, pois utilizam a mesma fonte de energia.

14

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Energia Solar

O Sol é uma fonte de energia tão intensa que pode ser considerado uma

imensa fornalha de forma esférica. O núcleo solar pode alcançar temperaturas

perto dos quarenta milhões de graus centígrados e sua superfície pode atingir

6000ºC (Hinrichs, 2010). Esse astro possui 110 vezes o tamanho da Terra e está

a uma distância de 150 milhões de quilômetros (MANUAL, 1978). O fornecimento

anual de energia pela radiação solar, para a superfície terrestre, é de 1,5x1018

KWh (CRESESB, 2006). Da energia total produzida no interior do Sol, apenas

uma pequena fração chega à Terra. É essa pequena fração, que na superfície do

Sol é transformada de energia nuclear para energia luminosa, que torna a vida

terrestre possível. Pode-se imaginar que essa energia luminosa é composta por

pacotes de pequenas partículas que contém energia e denominados fótons.

2.1.1 A Radiação Solar

A radiação solar que atinge o topo da atmosfera é chamada de insolação e

possui em torno de 9% de radiação ultravioleta, cerca de 40% de radiação na

região do visível e em torno de 50% é de radiação infravermelha (Hinrichs, 2010).

Parte da radiação ultravioleta é absorvida pelos gases de nitrogênio, oxigênio e

ozônio que estão presentes na atmosfera. Na atmosfera inferior, parte da

radiação infravermelha é absorvida pelo vapor d´água e pelo CO2. Da radiação

total que consegue passar da atmosfera, 19% são absorvidos pelas nuvens e por

outros gases e 31% são refletidos de volta para o espaço. Os 50% restantes

atingem a superfície e são quase completamente absorvidos (Hinrichs, 2010).

Esse fenômeno de reflexão da radiação solar é denominado albedo. Parte da

radiação refletida é absorvida por CO2 e H2O e irradiada de volta para a Terra

gerando o chamado efeito estufa. Esse efeito é importante, pois ele mantém a

15

temperatura relativamente alta da Terra, sem a qual não seria possível existir vida

e o seu agravamento é resultado da queima de combustíveis fósseis que liberam

gases retentores. A radiação que atinge o topo da atmosfera, chamada de

insolação, tem intensidade de 1360 W/m2 e esse número é denominado constante

solar, que varia minimamente com o tempo (Hinrichs, 2010). A figura 1 mostra a

distribuição espectral da radiação solar, destacando a região da luz visível, da

ultravioleta e do infravermelho.

Figura 1 – Distribuição espectral da radiação solar Fonte: CRESESB (2006)

2.1.2 Uso da Energia Solar

A energia solar pode fornecer basicamente três tipos de processos:

térmicos, elétricos e químicos (COMETTA, 1978). O primeiro processo possui

processos em diferentes temperaturas. Alguns exemplos são: aquecimento de

ambientes e de água (utilizando coletores planos), evaporação, destilação, fornos

solares e fornos solares parabólicos. Já o segundo, consiste em processos que

há transformação direta em energia elétrica como é no caso de processos

16

fotovoltaicos e geradores termoelétricos. Por fim, os processos químicos

consistem na utilização da energia solar para realizar processos químicos. Os

exemplos desse tipo são a fotólise (quebra pela ação da luz solar) e a

fotossíntese.

2.2 Energia Elétrica

A energia elétrica é baseada na produção de diferenças de potencial

elétrico entre dois pontos. Com isso, os elétrons se movem entre esses pontos

criando uma corrente elétrica. Ela pode ser utilizada em diversos equipamentos

de uso doméstico e industrial. A energia elétrica é gerada através das águas, sol

e vento e é considerada uma forma de energia limpa, pois apresenta baixos

índices de produção de poluentes. O processo de geração de energia elétrica

consiste na conversão de outra forma de energia em energia elétrica,

principalmente a partir da energia cinética. A distribuição, a partir das usinas,

ocorre através dos elétrons encontrados nos condutores das linhas de

transmissão. No Brasil, a energia elétrica é gerada, principalmente, pelas usinas

hidrelétricas. Na tabela 1, pode-se observar que as usinas hidrelétricas é

responsável por mais de 60% da energia elétrica gerada no Brasil.

Tabela 1- Capacidade instalada, por fonte de geração Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2013)

Empreendimentos em Operação

Tipo Quantidade Potência Outorgada

(kW) Potência Fiscalizada

(kW) %

Central Geradora Hidrelétrica (CGH)

429 260.579 261.785 0,21

Central Geradora Eólica (EOL) 103 2.136.168 2.137.372 1,7

Pequena Central Hidrelétrica (PCH)

462 4.634.488 4.595.348 3,66

Central Geradora Solar Fotovoltaica (UFV)

35 6.785 2.785 0

Usina Hidrelétrica (UHE) 194 86.713.255 80.797.124 64,3

Usina Termelétrica (UTE) 1.765 37.746.583 35.894.903 28,6

Usina Termonuclear (UTN) 2 1.990.000 1.990.000 1,58

Total 2.990 133.487.858 125.679.317 100

17

2.3 Células Fotovoltaicas

A energia elétrica é obtida da conversão direta da luz por meio do efeito

fotovoltaico. Esse efeito, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é o

aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de

material semicondutor, produzida pela absorção da luz (CRESESB, 2006). O

primeiro aparato fotovoltaico foi montado em 1876 e apenas em 1956, iniciou-se a

produção industrial (CRESESB, 2006). A unidade fundamental do processo de

conversão é a célula fotovoltaica. O conjunto de células compreende os painéis

fotovoltaicos e podem ser observados na figura 2.

Figura 2 – Painéis Fotovoltaicos Fonte: EPIA (European Photovoltaic Industry Association)

O efeito fotovoltaico ocorre em materiais ditos semicondutores, que são

caracterizados pela presença de bandas de energia onde elétrons são permitidos,

chamadas bandas de valência, e outras bandas que são vazias, chamadas

bandas de condução. Essas células fotovoltaicas trabalham no princípio de que

os fótons incidentes, colidindo com os átomos dos materiais semicondutores,

fazem com que os elétrons sejam deslocados. Se estes elétrons puderem ser

capturados antes de retornarem a seus orbitais atômicos, podem ser

aproveitados, livres, como corrente elétrica (COMETTA, 1978).

Dos vários materiais semicondutores encontrados na Terra, o mais

utilizado é o silício, pois seus átomos possuem quatro elétrons na camada de

valência, que fazem ligação com os elétrons do átomo vizinho, formando assim

uma rede cristalina. A essa rede cristalina, são adicionados elementos com cinco

elétrons de ligação e elementos com três elétrons de ligação. Os primeiros

possuem um elétron que está ligado fracamente ao seu átomo de origem,

18

facilitando, ao utilizar pouca energia térmica, que ele se desligue do átomo. Já os

elementos com três elétrons na camada de valência necessitam de um elétron

para satisfazer as ligações com os átomos de silício e, com pouca energia

térmica, um elétron passa a ocupar essa posição. Esse movimento de elétrons

gera uma diferença de potencial, onde o acúmulo de elétrons de um lado se torna

negativo e do outro lado positivo devido à falta de elétrons e, também, gera um

campo elétrico que mantém os elétrons afastados (CRESESB, 2006).

Um material semicondutor é um material que conduz a corrente elétrica, e

cuja resistividade diminui ao elevar-se a temperatura, e pela presença de

impurezas, ao contrário do que sucede nos condutores metálicos normais

(COMETTA, 1978).

A célula fotovoltaica é a menor unidade de conversão de energia luminosa,

proveniente do Sol, em energia elétrica e possui alguns tipos segundo a

caracterização quanto ao material semicondutor. Praticamente todas as células

fotovoltaicas são fabricadas utilizando o silício (CRESESB, 2006).

2.3.1 Silício Monocristalino

Representam a utilização de materiais muito puros e com uma estrutura de

cristal perfeita, tornando a produção cara e complexa. Atingem um rendimento

relativamente elevado, em torno de 15% e podendo chegar em 18% em células

feitas em laboratórios (CRESESB, 2006). O processo de fabricação das células

de silício monocristalino se inicia extraindo o cristal de SiO2. Esse material passa

por processos de desoxidação em fornos, é purificado e solidificado. Para que

este silício funcione como uma célula fotovoltaica, propriamente dita, necessita-se

de outros materiais semicondutores e de um grau de pureza mais elevado

(CRESESB, 2006).

19

2.3.2 Silício Policristalino

Apesar do processo de fabricação das células de silício policristalino ser

semelhante ao das de silício monocristalino, as primeiras são mais baratas por

exigirem menos controle durante o processo de fabricação. A diferença entre os

dois tipos de silício está em algumas características específicas como tamanho,

morfologia e concentração de impurezas (CRESESB, 2006).

2.3.3 Silício Amorfo

Uma célula de silício amorfo difere das demais estruturas cristalinas por

apresentar alto grau de desordem na estrutura dos átomos (CRESESB, 2006). A

utilização desse tipo de silício para a fabricação das células fotovoltaicas possui

algumas vantagens, tanto nas propriedades elétricas quanto no processo de

fabricação. Por poder ser fabricado com a deposição de vários tipos de

substratos, esse tipo de silício possui um baixo custo se comparado aos outros

dois tipos citados acima. As desvantagens do silício amorfo estão na baixa

eficiência de conversão da energia luminosa, se comparado com as células mono

e policristalinas, e ocorre ainda um processo de degradação da estrutura

reduzindo a vida útil da célula (CRESESB, 2006).

3. METODOLOGIA

Para explicar a utilização do método de pesquisa abordado nesse trabalho,

é preciso entender como este foi elaborado. A metodologia será explicada através

do entendimento do método de pesquisa e dos procedimentos utilizados. A

pesquisa é de natureza qualitativa e tem objetivo de entender e compreender a

geração de energia elétrica a partir da energia solar.

20

3.1 Método de pesquisa

O método utilizado no trabalho será a pesquisa bibliográfica. Por ser um

assunto que possui um histórico bastante longo, somente há pouco tempo se

tornou alvo de estudos complexos e detalhados e, por isso, o acervo de livros e

artigos científicos não é tão vasto quanto outros temas já muito trabalhados. O

acervo que foi acessado para a elaboração desde trabalho consta de livros,

artigos científicos e documentos sobre o tema, que foram recolhidos nas

bibliotecas de ambos os campi da Escola de Engenharia de Lorena. Foram

utilizados, também, artigos de revistas científicas e manuais. Dissertações de

mestrado e teses de doutorado, retirada de bibliotecas digitais, também foram

utilizadas. O tema da pesquisa é a transformação de energia solar em energia

elétrica através da utilização de células fotovoltaicas.

3.2 Procedimentos da pesquisa

Primeiramente, analisar-se-á a origem da radiação solar e como ela incide

na atmosfera e na superfície terrestre. Em seguida, será mostrado como a

energia solar foi e é utilizada até hoje, tanto para fornecimento de energia térmica

quanto para energia elétrica. Os diferentes métodos serão apenas citados e,

como foco do trabalho, as células fotovoltaicas, conversoras de energia solar em

energia elétrica, terão um estudo aprofundado. Serão apresentados gráficos e

figuras que ilustram a produção de energia elétrica através da utilização das

células fotovoltaicas e da distribuição mundial dessa produção.

Ao final do trabalho, deverá constar que a utilização da energia solar para a

obtenção dos mais variados tipos de energia é importante, pois o Sol é uma fonte

de energia inesgotável, se levada em conta a escala de tempo terrestre. Outra

conclusão que deverá ser obtida é que a utilização das células fotovoltaicas para

geração de energia elétrica possui alto potencial, porém, nos dias atuais, essa

21

tecnologia ainda é inviável financeiramente em grande escala devido ao custo do

processo de fabricação, da mão-de-obra e da matéria-prima utilizada.

22

4. RESULTADO E DISCUSSÃO

4.1 Incidência da luz solar na superfície terrestre

O Sol, única estrela da Via Láctea e localizado no centro desta, emite luz

devido a reações nucleares que ocorrem em seu núcleo e sua superfície. A luz

solar e qualquer tipo de luz emitido por uma fonte é composta, pelo o que os

cientistas chamam, por fótons. Fóton é uma partícula de luz e pode ser chamado

de pacote de luz. Assim, a luz solar pode ter aspectos tanto de uma onda como

de uma partícula dependendo das circunstâncias que se encontra.

A luz solar é essencial para a manutenção da vida na Terra. Porém, para

que essa luz proveniente do Sol seja totalmente aproveitada pelos seres vivos, a

maneira com que ela incide na superfície é de suma importância e pode ser

entendida olhando-se a figura 3.

Figura 3 - Órbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ângulo de 23,5º. Fonte: “Photovoltaic System Technology - An European Handbook”.

23

Na figura 3, é possível visualizar que, mesmo o eixo da Terra não se

alterando, os raios solares incidem com ângulos diferentes durante o ano. Esse

estudo sobre a incidência da luz solar na superfície é muito importante, pois os

módulos fotovoltaicos devem ser posicionados e ter angulação a fim de maximizar

a absorção da luz solar, aumentando sua eficiência.

4.2 Histórico da utilização da energia solar

Desde os primórdios da vida no planeta Terra, a luz solar foi aproveitada

pelos organismos para realização de tarefas essenciais para a sua sobrevivência.

Não só os primeiros seres humanos, mas a maioria dos animais usufruía da luz

solar para atender simples necessidades como, por exemplo, aquecimento em

dias frios e secagem após chuvas e tempestades. Com a evolução da espécie, os

humanos começaram a entender como a luz solar poderia ser mais bem

aproveitada e qual os benefícios ela traria para a qualidade de vida das pessoas.

Os Homens do passado perceberam o quão importante a luz solar era para a

prática da agricultura e secagem de peles de animais, nesse caso, para evitar

proliferação de microrganismos que podiam causar doenças fatais.

Recentemente, uma prática de aproveitamento da energia solar muito

utilizada e eficaz é o aquecimento da água principalmente para banho. O sistema

é simples, porém necessita de céu aberto para que funcione perfeitamente. Ainda

mais recente, a célula fotovoltaica possibilitou um aproveitamento mais eficiente

da luz solar e possui como principal objetivo gerar energia elétrica.

Um dos problemas dos grandes centros, nos dias atuais, é a falta de

espaço. Como não há espaço físico para a instalação de células fotovoltaicas nos

grandes centros, uma alternativa foi a instalação desses painéis na cobertura de

edifícios e sobre o teto de estabelecimentos. Essa instalação é feita por

profissionais e muitas vezes, mais recentemente, o sistema de geração de

energia elétrica é ligada a rede de energia.

24

Figura 4 - Instalação de painéis fotovoltaicos no telhado de um estabelecimento

4.3 Células Fotovoltaicas

Os gases do efeito estufa tem se tornado uma preocupação de toda a

população mundial. Devido à alta queima de combustíveis fósseis para geração

de energia e realização de tarefas, houve um aumento da concentração desses

gases o que agravou o chamado efeito estufa. Esse fenômeno é responsável pela

manutenção da temperatura terrestre e assim tornando possível a vida na Terra

como a conhecemos. Esses gases são responsáveis por reter o calor dissipado

após a incidência da luz solar na superfície terrestre. O aumento da concentração

desses gases despertou, na comunidade científica, a necessidade de se procurar

formas de se gerar energia sem agredir o meio ambiente, principalmente no

agravamento do efeito estufa devido ao estágio que esse fenômeno se encontra.

No figura 5, pode-se observar o aumento da emissão de gases do efeito estufa no

mundo e de alguns países em 2000 e a projeção para 2025.

25

Figura 5 - Emissão de gases do efeito estufa em 2000 projetadas para 2025 Fonte: Adaptado do Instituto de Recursos Mundiais (World Resources Institute).

Uma alternativa recente para geração de energia elétrica é a utilização de

células fotovoltaicas. O corte transversal de uma célula fotovoltaica é ilustrado na

figura 6 para melhor entendimento.

Figura 6 – Corte transversal de uma célula fotovoltaica Fonte: CRESESB (2006).

26

O princípio de funcionamento das células fotovoltaicas é simples e baseia-

se nas propriedades dos materiais semicondutores. Na parte superior, encontra-

se uma estrutura metálica e logo abaixo há duas camadas. A camada superior é

chamada de silício tipo “n” e a camada inferior é chamada de silício tipo “p”. A

junção dessas duas camadas é chamada de junção “pn”.

O semicondutor mais utilizado é o silício, isso porque seus átomos se

caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos átomos vizinhos,

formando uma rede cristalina. Ao adicionar átomos com cinco elétrons de ligação,

como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser

emparelhado e que ficará fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com

que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para a banda de

condução. O fósforo é um doador de elétrons e denomina-se dopante n. Por outro

lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso

do boro. Esses átomos tem uma deficiência de um elétron para satisfazer as

ligações com os átomos de silício da rede. Esta falta de elétron é denominada

buraco ou lacuna e com pouca energia térmica um elétron de um sítio vizinho

pode passar para esses buracos. Diz-se, portanto, que o boro é um dopante p.

Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma

metade e de fósforo na outra, será formada a junção pn. O que ocorre nesta

junção é que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os

buracos que os capturam. Isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado

p, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que

o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo

elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o

lado p. Este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma

barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado n.

Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap,

ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna. Acontecendo isso na região onde o

campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim,

uma corrente através da junção. Este deslocamento de cargas dá origem a uma

diferença de potencial ao qual é chamado de Efeito Fotovoltaico. Se as duas

extremidades de silício forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de

elétrons, ou seja, uma corrente elétrica.

27

A eficiência das células fotovoltaicas é diretamente proporcional ao custo

de produção e de material destas. As células que são compostas por silício

monocristalino possuem cristais mais puros e possuem uma estrutura cristalina

perfeita, porém o custo de fabricação é mais elevado. Já nas células compostas

por silício amorfo, os cristais não são ordenados e a degradação do material é

mais rápida. A eficiência das células fotovoltaicas segundo o tipo de silício

utilizado está ilustrada na tabela 2 abaixo.

Tabela 2 - Eficiência típica dos módulos comerciais Fonte: EPIA (2011).

Um indício de que o uso de células fotovoltaicas para geração de energia

elétrica é eficiente e uma ótima alternativa é de que em residências e

estabelecimentos que possuem tal sistema, a energia elétrica gerada excedente é

injetada na rede elétrica e os responsáveis por ele são bonificados com descontos

ou créditos.

Essa injeção do excedente de energia elétrica gerada pelos módulos

fotovoltaicos já ocorre em vários países como, por exemplo, na Alemanha, que

possui capacidade anual instalada em 2011 de aproximadamente 7.500

megawatts. A Itália é outro grande produtor de energia elétrica a partir da energia

solar com aproximadamente 8.500 megawatts anuais. A análise do gráfico abaixo

permite identificarmos que os países mais ricos, por terem mais dinheiro,

investem mais nessa tecnologia. Outro motivo, principalmente nos europeus e no

Japão, é não terem outra fonte para geração de energia elétrica. Em países como

Brasil, EUA e China, uma importante fonte de geração de elétrica são as usinas

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hidrelétricas. A figura 7 mostra a capacidade instalada dos principais países

produtores de energia elétrica utilizando células fotovoltaicas.

Figura 7 – Capacidade anual instalada de sistemas fotovoltaicos Fonte: Adaptado de DIW Berlin, 2012.

As primeiras células fotovoltaicas possuíam pouca eficiência e tinham

preço muito elevado. Isso se dava, pois a procura por essa tecnologia era baixa e

o custo de produção era alto. Com o maior conhecimento e com a tecnologia

atual, as células fotovoltaicas se tornaram mais acessíveis a vários dos setores da

sociedade. Como acontece com praticamente todos os produtos do mercado

mundial, quanto maior a oferta, menor o preço. O gráfico disponibilizado na figura

8 mostra a evolução dos custos dos módulos desde 2001. Nele se observa

claramente a tendência linear de queda ao longo do tempo, conforme é esperado

em função da queda dos custos internacionais. O preço que chega em torno de

R$32,00/Wp em 2000, chega em 2012, de R$2,00/Wp até R$10,00/Wp.

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Figura 8 - Evolução do preço médio dos módulos fotovoltaicos Fonte: CEPEL (2012).

Tanto estudos e preocupações em se encontrar formas de se gerar energia

elétrica se deve ao alto consumo desta. No Brasil, o consumo de energia elétrica

em 2012 foi 3,5% maior do que em 2011. Na figura 9, pode-se observar o

aumento da energia elétrica no mundo.

Figura 9 - Consumo de energia elétrica Fonte: Index Mundi

30

5. CONCLUSÃO

A inserção de fontes renováveis de energia a partir de fonte de energia

renováveis na matriz energética mundial tem sido cada vez mais necessária

devido ao aumento do consumo de energia elétrica e dos problemas ambientais

causados principalmente pela queima de combustíveis fósseis.

A conversão de energia solar em energia elétrica utilizando células

fotovoltaicas se tornou uma alternativa muito viável, pois utiliza uma fonte de

energia inesgotável se considerada a escala de tempo terrestre. Além de utilizar

apenas a luz solar para gerar energia elétrica, os módulos fotovoltaicos não

precisam ser localizados em áreas específicas, não geram ruídos durante o

processo de conversão e podem ser acoplados em edificações.

Apesar de vários países líderes na geração de energia elétrica, a partir da

luz solar como, por exemplo, Alemanha, Itália, Japão e EUA, investirem para

maior eficiência e aproveitamento da luz solar, os preços médios são

relativamente altos devido a taxa de conversão de aproximadamente 18%.

Porém, em alguns anos, com tecnologias mais avançadas, a eficiência das

células fotovoltaicas será muito superior às encontradas nos dias atuais, devido a

estudos e possíveis elementos que podem ser adicionados na célula fotovoltaica.

Esse aumento da eficiência e aperfeiçoamento da tecnologia pode ser observada

em diversas outras tecnologias e assim acarretará em uma maior utilização das

células fotovoltaicas para geração de energia elétrica.

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